Глава IV.10.
Матричный биосинтез
На ранних этапах исследования синтеза одной
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) по информации с другой ДНК, затем рибонуклеиновой
кислоты (РНК) по информации, которую хранит в себе ДНК и далее синтез белка по
информации матричной РНК все эти процессы последовательного считывания
сравнивали с получением отпечатков с типографских матриц. Поэтому
запрограммированный с помощью нуклеиновых кислот (НК) процесс сборки новых
цепей биополимеров называют матричным
биосинтезом, а сами молекулы НК, используемые как программы в
матричном биосинтезе, - матрицами. Но более уместно было бы сравнивать несущую
информацию НК с лентой магнитофона на которую записана информация либо с
дискетой.
У всех живых организмов ДНК является первичным
носителем генетической информации. Это значит, что в структуре молекулы ДНК в виде последовательности нуклеотидов
записана вся программа, необходимая для жизнедеятельности клетки, ее реакции на
различные внешние воздействия.
У прокариот (доядерных организмов) вся
наследственная информация представлена на одной кольцевой молекуле ДНК,
состоящей из нескольких миллионов пар нуклеотидов. Иногда часть информации
содержится в нескольких небольших кольцевых ДНК - плазмидах.
У эукариот
(имеющих клеточное ядро) - ДНК в основном сосредоточена в хромосомах. В
каждой хромосоме содержится одна двунитевая ДНК, размер которой достигает сотен
миллионов пар нуклеотидов. Относительно маленькие молекулы ДНК содержатся в
митохондриях. Они необходимы для синтеза митохондриальных РНК и
митохондриальных белков. Двунитевая молекула построена по принципу комплементарности.
Т. е. когда каждая из четырех НК предпочитает взаимодействовать (образовывать
водородные связи) только с одной НК из трех возможных. Так аденин
взаимодействует через О-Н связи только с тимином (А -Т),
а гуанин с цитозином (Г - Ц).
Синтез полипептидной цепи (ДНК, РНК или белка) в
клетках складывается из трех основных этапов: инициации, элонгации и
терминации.
Инициация - образование связи между мономерными звеньями создаваемой
полимерной цепи. Далее мономер присоединяется к образовавшемуся димеру,
тримеру, тетрамеру и т.д. - это уже элонгация.
Элонгация - соединение очередного
мономера с растущей полимерной цепью. Этот процесс происходит в активном центре
фермента полимеразы. Затем участок, полимера к которому присоединился мономер,
выдвигается из зоны активного центра фермента - это процесс транслокации.
Терминация - окончание сборки
полимера. Для этого на матрице имеется определенный участок - терминатор (по
его информации невозможно подобрать необходимый мономер).
Все процессы, происходящие с участием ДНК можно
разделить на два вида:
1)
использование
информации, записанной на ДНК, для синтеза молекул РНК, а затем клеточных
белков
2)
сохранение,
размножение и изменение информационного содержания молекул ДНК
Каждая программа, записанная на ДНК может быть
многократно считана.
Способность ДНК к точному самоудвоению при
произвольной последовательности нуклеотидов в ее цепях заложен и в самом
принципе построения ДНК в виде двунитевой структуры со взаимно комплементарными
последовательностями. Это означает, что каждая
из цепей содержит полную
информацию о строении противоположной цепи. При расхождении двунитевой ДНК
каждая из цепей может воспроизвести другую цепь - это процесс репликации.
Он реализуется при участии ферментов ДНК-полимераз.
Матричный синтез ДНК выполняет две основные функции: репликацию (удвоение) ДНК,
т.е. синтез новых дочерних цепей, комплементарных исходным матриксным цепям, и репарацию
(восстановление) ДНК, если одна из цепей имеет повреждения. Но не всегда
репарация способна восстановить первоначальную структуру ДНК и процесс
репликации происходит с поврежденной цепи ДНК. В этом случае происходит
наследование повреждений - мутация.
ДНК-полимеразы катализируют перенос
дезоксирибонуклеотидных фрагментов от АТФ, ГТФ, ЦДФ, ТДФ на гидроксигруппу
растущей или подлежащей регенерации цепи ДНК. Т. е. ДНК-полимеразы относятся к
классу трансфераз. Раскручивание двунитевой спирали ДНК для доступа к ней
ДНК-полимераз осуществляется двумя ферментами: геликазой и ДНК-топоизомеразой.
Кроме репликации, репарации и мутации ДНК может
подвергаться гомологичной рекомбинации. Две близкие по своей первичной
структуре молекулы ДНК, расположенные рядом объединяются в четырехнитевую
структуру. При этом соседние участки обмениваются фрагментами. Рекомбинация не
создает новых генов, но в результате этого процесса возникают новые комбинации
признаков, которые могут оказаться весьма существенными при естественном
отборе.
ДНК программирует работу ферментов РНК-полимераз,
которые катализируют синтез новых молекул РНК из нуклеотидов с последовательностью,
комплементарной одной из цепей программирующей ДНК. Этот процесс называют транскрипцией
(считывание). Конечным итогом является образование информационных, рибосомных и
транспортных РНК. Образованная цепь РНК - первичный транскрипт это еще не готовая
РНК и она подвергается дополнительной серии превращений - процессингу
(отщеплению одного или нескольких нуклеотидов или наоборот присоединению, но
уже без информации с ДНК). Синтез РНК начинается со вполне определенных
участков ДНК и во вполне определенное время. Для этого на ДНК имеются участки к
которым присоединяются РНК-полимеразы и регуляторные молекулы. Эти участки не
подвергаются считыванию и называются нетранскрибируемыми.
Матричный биосинтез РНК (транскрипция) осуществляется при участии ферментов РНК-полимераз.
Этот фермент катализирует такой же тип реакции как и ДНК-полимераза (перенос
нуклеозид-трифосфата на цепь РНК), но только вместо субстрата ТДФ используется
УТФ. Матрицей при транскрипции является двунитевая ДНК. Вблизи активного центра
РНК-полимеразы двунитевая спираль раскручивается и фермент составляет цепь РНК
по считываемой информации с нити ДНК. РНК составляется по принципу
комплементарности с тем отличием, что вместо тимина используется урацил и
нуклеозиды, которые содержат не дезоксирибозу, а рибозу.
Инициация проходит на строго определенном участке
матрицы ДНК, он называется промотор, и именно с ним происходит
специфическое взаимодействие активного центра РНК-полимеразы. После чего
начинается синтез цепи РНК. ДНК содержит много таких промоторов и при изменении
условий РНК-полимереза может присоединяеться к к другому промотору. Так, при
повышении температуры на 2,0-3,0 °С выше физиологического уровня РНК-полимераза
присоединяется к промотору, с которого начинается считывание информации
необходимой для синтеза специальных защитных белков - БТШ.
Вновь синтезированная РНК еще не готова к выполнению
своей функции и подвергается ряду превращений - процессингу. В нем
принимают участие многие ферменты. Так, часто цепь РНК необходимо разрезать на
несколько более коротких или подровнять концы, удалив лишние нуклеотиды - это
осуществляют РНК-азы.
Процесс транскрипции является точкой приложения многих биологически активных
веществ, например антибиотиков и токсинов. Так, антибиотик рифампицин блокирует
действие РНК-полимераз прокариот, а токсин бледной поганки - a-аманитин - РНК-полимеразу эукариот. Это
подавляет синтез мРНК для многих жизненно важных белков.
Биосинтез белка согласно информации на РНК
называется трансляцией (передачей). Он происходит на сложных
надмолекулярных структурах - рибосомах, которые построены из рибосомных РНК и
белков. АК для сборки новых полипептидных цепей поступают к рибосомам при
участии тРНК, каждая из которых связывает по одной АК. Сборка полипептидной
цепи осуществляется по информации, содержащейся на мРНК. В цепи мРНК информация
о каждой АК записана в виде комбинации из трех нуклеотидов (например, УУУ или
УУЦ- фенилаланин, АУГ-метионин). Такие тринуклеотиды называются кодонами.
На рибосомах происходит взаимодействие кодона мРНК с антикодоном тРНК.
Антикодон тРНК - это тоже тринуклеотид, а сама тРНК имеет вид кленового листа
(или креста). На малой субъединице рибосомы расположен участок, на котором
взаимодействуют кодон мРНК с антикодоном тРНК - это декодирующий участок.
Инициация синтеза полипептидной цепи начинается со взаимодействия между двумя
остатками тРНК один из которых несет на себе АК метионин (с нее обычно все и
начинается). Отобраная АК переносится от одной тРНК на тРНТ с которой и начинается
синтез белковой цепи. Участок рибосомы, на котором происходит этот перенос
содержит фермент пептидилтрансферазу.
Он локализован на большой субъединице рибосомы. Молекула тРНК
располагается одновременно на двух субъединицах. К начальной молекуле тРНК (с
метионином) постепенно присоединяются различные АК посредством пептидной связи,
пока на мРНК не встретится участок терминации. На этом синтез полипептида
заканчивается.
Рибосомы, как и РНК-полимеразы, являются точками
приложения действия ряда антибиотиков, так стрептомицин связывается с малой
субъединицей рибосомы прокариот, хлорамфинекол - с большой вблизи активного
центра пептидилтрансферазы. При этом тормозится синтез белка бактерий и не
изменяется у животных.
ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV.10.
1. Бышевский А. Ш., Терсенов
О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;
2. Кнорре Д. Г., Мызина С.
Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;
3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы
структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;
4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии //
Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.
5. Степанов В. М.
Молекулярная биология. Структура и функции белков // М.: Высшая школа, 1996,
335 с.